用峰到峰力 差（Fa-Fb，對(duì)應(yīng)于峰到峰Z調(diào)制）或鎖定放大器振幅輸出中的任意一個(gè)用作反饋來完成。 如果振幅足夠小，在該情形下，力梯度為線性，則反饋參數(shù)正比于排斥力梯度。在這種情況 下，反饋僅對(duì)短程化學(xué)結(jié)合力、對(duì)應(yīng)于原子分辨率的力敏感。因此，本技術(shù)對(duì)于高分辨率圖 像很理想。
[0127] 在圖23A和圖23B中，示出了類似于圖22A/22B中示出的裝置的裝置，但使用力曲 線的吸引力部分（小振幅吸引力模式）。在這種情況下，系統(tǒng)以小到足以保證尖端_樣本相 互作用總是保持在吸引力區(qū)域的振幅調(diào)制Z。此外，簡(jiǎn)單的峰到峰力差值（Fa-Fb)或鎖定放 大器的振幅輸出中的任意一個(gè)可以用作反饋，如果振幅足夠小以致力梯度為線性，給定反 饋參數(shù)正比于吸引力梯度。由于尖端不與樣本接觸，因而該技術(shù)對(duì)樣本的破壞性最小。與 小振幅排斥力模式相比，反饋極性相反。
[0128] 優(yōu)點(diǎn)
[0129] 總而言之，PFT模式AFM操作的益處很多。給定固有穩(wěn)定的長(zhǎng)期的力控制，在 TappingMode? AFM速度下，無漂移樣本成像可以與同時(shí)的高度、剛度、粘性、彈性和塑性機(jī) 械性能測(cè)量一起獲得。由于該技術(shù)不受DC漂移的影響（PFT模式每隔幾百微秒產(chǎn)生其自身 的基準(zhǔn)），即使沒有專家級(jí)操作員也不會(huì)損害穩(wěn)定操作。這允許SPM持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天 (大樣本-長(zhǎng)時(shí)間）運(yùn)行，而基本上不會(huì)損害圖像完整性。對(duì)在進(jìn)行中的測(cè)量尤為有用，類似 的晶體生長(zhǎng)以及監(jiān)測(cè)聚合物相變，其可能需要幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)。明顯地，可以以大于2kHz 的操作帶寬產(chǎn)生峰力輕敲圖像。TappingMode (輕敲模式）帶寬為約1kHz，主要由于懸臂動(dòng) 態(tài)控制速度，例如，穩(wěn)定需要至少若干毫秒，以返回至共振狀態(tài)（大于振幅誤差，更慢）。公 開的實(shí)施方式由于獨(dú)立地測(cè)量彈性、粘性、能量耗散等，因而也可以消除相位解釋的問題。 所有這些因素影響懸臂振蕩的相位。
[0130] 此外，因?yàn)橐坏┨结樑c樣本松開，無需等待完整的懸臂振鈴?fù)ㄖ?，因而PFT模式對(duì) 懸臂動(dòng)力學(xué)不敏感。其允許在真空中高速成像，還允許在懸臂選項(xiàng)中隨意選擇。這種差別允 許在相互作用力的若干量級(jí)上進(jìn)行映射，同時(shí)排斥力分辨率可用于產(chǎn)生無人工細(xì)胞成像。
[0131] PFT模式不用必須以探針的共振頻率操作的情形當(dāng)在流體中成像時(shí)提供主要優(yōu) 點(diǎn)。由于流體中的各種寄生聯(lián)接力，所以懸臂調(diào)諧是獲取流體圖像的關(guān)鍵問題。PFT模式完 全消除了調(diào)諧懸臂的需要（基線平均、背景減去等）。此外，力控制的范圍以及使用具有寬 得多的彈簧常數(shù)范圍（通常，僅對(duì)于TappingMode? AFM大于0. 3N/m，同時(shí)PFT模式可以使 用具有低至〇. 〇lN/m的彈簧常數(shù)的懸臂）的懸臂的能力為成像控制給出大得多的生物樣本 成像空間。
[0132] 此外，這是因此PFT模式不依賴于懸臂中存儲(chǔ)的振蕩能量來克服毛細(xì)管粘附力的 情形。因?yàn)榇思夹g(shù)利用了（反饋回路的、優(yōu)選地觸發(fā)峰力的）外部致動(dòng)元件，用于克服毛細(xì) 管力的機(jī)構(gòu)比在TappingMode(輕敲模式）中有力得多，在TappingMode(輕敲模式）中懸 臂自身的（由振蕩的探針的動(dòng)能饋送的）靜態(tài)彈性能拉動(dòng)尖端克服毛細(xì)管力離開樣本。因 此，對(duì)于在存在毛細(xì)管層的情況下穩(wěn)定操作幾乎沒有對(duì)懸臂彈簧常數(shù)的限制。因此，PFT模 式使得能夠使用具有至少低至〇. 01N/m的彈簧常數(shù)的懸臂進(jìn)行穩(wěn)定輕敲控制操作。
[0133] 峰力輕敲控制的另一益處在于在AFM操作的一個(gè)模式下使用從0. 01N/m至1000N/ m的懸臂的能力。這能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)儀器上對(duì)材料的彈性模量從10kPa至lOOGPa的最寬范圍 的高分辨率機(jī)械性能映射。
[0134] 此外，給定基本瞬時(shí)力反饋，實(shí)質(zhì)上消除了尖端撞擊。再者，因?yàn)槠D(zhuǎn)受到流體動(dòng) 力學(xué)修正，所以通常不要求調(diào)諧，因此實(shí)質(zhì)上任何用戶可以完成快速、容易的設(shè)置。
[0135] 當(dāng)與AFM操作的現(xiàn)有模式相比較時(shí)，由與低平均追蹤力結(jié)合的PFT模式提供的低 力高速成像并且實(shí)質(zhì)上消除了尖端上的側(cè)向力，提供了對(duì)多種類樣本的高速成像的顯著進(jìn) 步。例如，可以測(cè)量單分子彈性，以及在流體中窄的DNA樣本（例如2nm寬的DNA)。通過比 較，當(dāng)在流體中為DNA成像時(shí)，TappingMode (輕敲模式）AFM具有至少2nm的較低分辨率。 此外，在流體中測(cè)量DNA剛度對(duì)TappingMode? AFM具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠洳痪哂刑匦粤炕?力，其主要僅能夠提供相對(duì)機(jī)械性能測(cè)量（例如，通過在相圖像中對(duì)比觀察）。依靠本技術(shù) 可以獲得下至分子水平的特性測(cè)量。
[0136] 最后，PFT模式可以獲取比在TappingMode (輕敲模式）AFM中獲取的數(shù)據(jù)一樣好或 更好（分辨率（例如小于lOOnm、更優(yōu)選地側(cè)向小于約lnm)等）的數(shù)據(jù)，而不損害尖端和/ 或樣本。該技術(shù)相對(duì)于其他已知力反饋技術(shù)提供顯著的速度提升，而這樣做不要求使用小 型杠桿。事實(shí)上，相當(dāng)大的杠桿（大于60ym長(zhǎng)）可以在PFT模式下以亞共振操作，從而杠 桿響應(yīng)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用所謂小型懸臂時(shí)能夠獲得的帶寬（大于10kHz)。
[0137] 當(dāng)然，本優(yōu)選實(shí)施方式的另外的益處在于，用每個(gè)像素產(chǎn)生力曲線，從而圖像提供 超出通常TappingMode (輕敲模式）AFM圖像的信息。依靠每個(gè)像素，用戶可以獲得關(guān)于剛 度、粘性、彈性、塑性等的量化信息。此外，因?yàn)榛€尖端-樣本分離由每個(gè)像素重新歸零， 漂移被最小化，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率和圖像可靠性方面的很大改進(jìn)。
[0138] 回顧上文，本PFT模式提供非常低的力的成像，以使用實(shí)時(shí)特性映射（即，瞬時(shí)力 控制）提供非常高的分辨率。力控制在充分長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)固有穩(wěn)定（基本無漂移），以致以 最小的或不存在的用戶干預(yù)為樣本成像。因?yàn)椴灰笳{(diào)諧（基線平均和流體動(dòng)力學(xué)背景修 正），所以該系統(tǒng)允許較快速地、更簡(jiǎn)單的設(shè)置。此外，對(duì)力的精確控制基本消除了尖端撞 擊，同時(shí)技術(shù)/系統(tǒng)也基本消除了樣本表面上的側(cè)向力。該系統(tǒng)由于不必在探針一旦與樣 本松開且與樣本相互作用之前等待探針振鈴?fù)ㄖ?，所以也?duì)懸臂動(dòng)力學(xué)不敏感。而且如上 文討論的，用戶可利用很寬范圍的懸臂以TappingMode(輕敲模式）AFM速度（大于2kHz) 獲得高度、剛度、粘性、彈性和塑性的同時(shí)測(cè)量。本SPM可以依靠這些特性使諸如流體中的 2nm寬的DNA的樣本成像，以及進(jìn)行諸如單個(gè)分子彈性之類的改進(jìn)的機(jī)械性能測(cè)量。
[0139] 盡管上文公開了發(fā)明者設(shè)想的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，但上述發(fā)明的實(shí)踐并不局 限于此。很明顯，可以對(duì)本發(fā)明的特征進(jìn)行各種增加、修改、重新布置而不偏離基本創(chuàng)造性 概念的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種操作掃描探針顯微鏡（SPM)的方法，包括： 在探針與樣本之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 檢測(cè)所述探針的運(yùn)動(dòng)； 從檢測(cè)到的探針運(yùn)動(dòng)確定基于探針-樣本相互作用的探針偏轉(zhuǎn)，所述探針偏轉(zhuǎn)基本 上獨(dú)立于寄生探針偏轉(zhuǎn)，其中，所述寄生探針偏轉(zhuǎn)由與所述SPM的操作相關(guān)聯(lián)的背景導(dǎo)致， 并且其中，所述確定步驟包括通過使用數(shù)字控制器從所述檢測(cè)到的探針運(yùn)動(dòng)中減去所述背 景；以及 使用所述確定步驟實(shí)時(shí)控制所述SPM。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述探針-樣本相互作用的振幅小于所述寄生探針 偏轉(zhuǎn)的振幅。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括識(shí)別與所述相互作用相關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)力。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述產(chǎn)生步驟包括提供在所述探針與所述樣本之 間的相對(duì)振蕩運(yùn)動(dòng)，以及其中，在完成所述振蕩運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)之前識(shí)別所述瞬時(shí)力。 5?如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述瞬時(shí)力是排斥力。6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，對(duì)應(yīng)于所述瞬時(shí)力的最小可控力小于約1000 yN。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述最小可控力小于約10pN。8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述檢測(cè)的探針運(yùn)動(dòng)被同步地平均以減小所述最 小可控力。9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述寄生探針偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于在所述探針不與所述樣 本相互作用時(shí)所述探針與所述樣本之間的任意相對(duì)周期運(yùn)動(dòng)。10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述背景由與所述SPM的操作相關(guān)聯(lián)的流體動(dòng)力 學(xué)背景導(dǎo)致。11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述探針包括懸臂，并且所述SPM能夠利用具有小 于0. 3N/m的彈簧常數(shù)的懸臂操作，以及所述SPM能夠利用具有大于500N/m的彈簧常數(shù)的 懸臂操作。12. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在等于約IOkPa至IOOGPa的范圍內(nèi)進(jìn)行量化機(jī) 械性能測(cè)量；以及基于所述機(jī)械性能測(cè)量產(chǎn)生所述樣本的圖像。13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在流體和真空中的一個(gè)中操作所述掃描探針顯微 鏡。14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述產(chǎn)生步驟在每個(gè)相互作用周期中利用預(yù)先確 定的同步間隔由反饋回路控制。15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字控制器執(zhí)行鎖定放大和同步平均中的至 少一者來減去所述背景。16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述數(shù)字控制器是FPGA。17. -種掃描探針顯微鏡（SPM)，包括： 致動(dòng)器，所述致動(dòng)器產(chǎn)生探針和樣本之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 檢測(cè)器，所述檢測(cè)器檢測(cè)所述探針的運(yùn)動(dòng)； 數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器從檢測(cè)到的探針運(yùn)動(dòng)確定基于探針-樣本相互作用的探 針偏轉(zhuǎn)，所述探針偏轉(zhuǎn)基本上獨(dú)立于寄生探針偏轉(zhuǎn)，其中，所述寄生探針偏轉(zhuǎn)由與所述SPM 的操作相關(guān)聯(lián)的背景導(dǎo)致，其中，所述寄生探針偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于在所述探針不與所述樣本相互 作用時(shí)所述探針與所述樣本之間的任意相對(duì)周期運(yùn)動(dòng)；以及 其中，所述控制器從所述探測(cè)到的探針運(yùn)動(dòng)中減去所述背景，以及使用所述探針偏轉(zhuǎn) 實(shí)時(shí)控制所述SPM。18.如權(quán)利要求17所述的SPM，其中，所述數(shù)字控制器是FPGA。
【專利摘要】一種改進(jìn)的AFM成像模式300(峰力輕敲(PFT)模式)使用力作為可變反饋，以減小尖端-樣本相互作用力，同時(shí)保持能夠由所有現(xiàn)有AFM操作模式獲得的掃描速度。以改進(jìn)的分辨率和高的樣本產(chǎn)量獲得樣本成像和機(jī)械性能映射，其中，模式能夠在包括氣態(tài)的、流體的和真空的各種環(huán)境中工作。
【IPC分類】G01Q60/34, G01Q60/24
【公開號(hào)】CN104991089
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510350667
【發(fā)明人】胡焰, 胡水清, 蘇全民
【申請(qǐng)人】布魯克納米公司
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2009年11月13日
【公告號(hào)】CN102439462A, CN102439462B, EP2359148A2, EP2359148A4, US8739309, US9213047, US20100122385, US20130276174, US20140283229, WO2010057052A2, WO2010057052A3